Đánh giá hệ số di chuyển phóng xạ từ đất vào thực vật vùng phông xạ cao

Khám phá sự di chuyển của đồng vị phóng xạ tự nhiên từ đất sang cây trồng. Đánh giá hệ số di chuyển và mức độ nguy hiểm bức xạ trong thực phẩm.

• Tác giả: Trần Việt Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Đánh giá hệ số di chuyển các đồng vị phóng xạ tự nhiên từ đất vào thực vật tại vùng có phông phóng xạ cao
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm hệ số di chuyển phóng xạ tự nhiên

Hệ số di chuyển (Transfer Factor - TF) là một chỉ số quan trọng trong đánh giá sự tích lũy các đồng vị phóng xạ tự nhiên từ đất vào thực vật. Hệ số này được xác định bằng tỷ lệ giữa hoạt độ phóng xạ riêng của chất ô nhiễm trong thực vật và hoạt độ phóng xạ riêng trong đất. Đây là một trong những thông số cơ bản để đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ trong chuỗi thực phẩm. Giá trị hệ số di chuyển phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc tính của đất, loài thực vật, và tính chất hóa học của đồng vị phóng xạ. Hiểu rõ về hệ số di chuyển giúp chúng ta đánh giá rủi ro phơi nhiễm phóng xạ cho con người thông qua chuỗi thực phẩm.

1.1. Định nghĩa và công thức tính toán

Hệ số di chuyển TF được tính bằng công thức: TF = Hoạt độ phóng xạ riêng thực vật / Hoạt độ phóng xạ riêng đất. Đơn vị là không thứ nguyên (dimensionless). Công thức này áp dụng cho các đồng vị phóng xạ tự nhiên như Ra-226, Ra-228, K-40 và các đồng vị nhân tạo như Cs-137. Giá trị TF cao chỉ ra rằng thực vật dễ dàng hấp thụ phóng xạ từ đất, trong khi giá trị thấp cho thấy sự di chuyển hạn chế.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số di chuyển

Các yếu tố chính bao gồm pH đất, hàm lượng các chất dinh dưỡng, độ ẩm, và đặc tính hóa lý của đồng vị phóng xạ. Loại đất có vai trò quan trọng - đất có hàm lượng clay cao thường giữ phóng xạ tốt hơn. Loài thực vật cũng ảnh hưởng đến hệ số di chuyển, với cây ăn lá thường có TF cao hơn cây ăn quả hay ăn củ. Điều kiện khí hậu, vị trí địa lý cũng đóng vai trò quan trọng.

II. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chính trong đất

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên phổ biến nhất trong đất bao gồm U-238, Th-232, K-40 và Ra-226, Ra-228 (sản phẩm trong chuỗi phóng xạ). U-238 và Th-232 là các đồng vị nguyên thủy có chu kỳ bán rã cực dài (hàng tỉ năm). K-40 tồn tại tự nhiên với hàm lượng khoảng 0,0117% so với kali bình thường. Những đồng vị phóng xạ này phân bố rộng rãi trong các loại đất khác nhau và là nguồn chính của phông phóng xạ tự nhiên. Mức độ ô nhiễm phóng xạ trong các vùng có phông phóng xạ cao như Mường Hum được xác định chủ yếu từ các đồng vị này.

2.1. Uranium 238 và Thorium 232

U-238 và Th-232 là những đồng vị phóng xạ tự nhiên có sẵn trong vỏ trái đất. Chúng khó bị hấp thụ bởi thực vật do tính chất hóa học ít hoạt động. Hàm lượng trung bình của U-238 trong đất điển hình khoảng 40 Bq/kg, Th-232 khoảng 40 Bq/kg. Hệ số di chuyển của hai đồng vị này thường rất thấp, nhất là U-238 với TF < 0,01.

2.2. Kali 40 và chuỗi phóng xạ Ra

K-40 là đồng vị phóng xạ tự nhiên duy nhất trong tự nhiên với hàm lượng đáng kể. Hệ số di chuyển của K-40 tương đối cao (khoảng 0,01-0,1) vì kali là chất dinh dưỡng thiết yếu. Ra-226 và Ra-228 từ chuỗi phóng xạ của U-238 và Th-232 có hệ số di chuyển cao hơn, đặc biệt trong đất acidic.

III. Cơ chế hấp thụ phóng xạ bởi thực vật

Hấp thụ phóng xạ bởi thực vật diễn ra thông qua hệ rễ, với hai cơ chế chính: hấp thụ thụ động và chủ động. Trong hấp thụ chủ động, thực vật coi các đồng vị phóng xạ như chất dinh dưỡng (ví dụ, K-40 được hấp thụ tương tự kali bình thường, Ra tương tự canxi). Mức độ di chuyển từ đất vào thực vật phụ thuộc vào độ khả dụng sinh học của các đồng vị trong đất. Các yếu tố như độ mặn, pH, hàm lượng chất hữu cơ ảnh hưởng đến tính khả dụng này. Sự phân bố của phóng xạ trong các bộ phận khác nhau của thực vật cũng khác nhau - lá thường tích lũy cao hơn thân và quả.

3.1. Con đường vào thực vật qua hệ rễ

Hệ rễ là nơi tiếp xúc trực tiếp với đất chứa phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ trong dung dịch đất được hấp thụ qua các lông rễ. Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất hóa lý của đồng vị, nồng độ, và năng lực cạnh tranh từ các ion khác. Đất có khả năng giữ lại phóng xạ khác nhau tùy theo cấu thành, ảnh hưởng đến tính khả dụng cho cây trồng.

3.2. Tích lũy trong các bộ phận thực vật

Mức độ tích lũy phóng xạ khác nhau giữa lá, thân, quả và rễ. Cây ăn lá như rau cải, rau muống có hệ số di chuyển cao hơn cây ăn quả hoặc ăn củ. Sự chuyển vận từ rễ lên thân, lá diễn ra qua hệ mạch, và một số đồng vị bị giữ lại ở giai đoạn này. Hệ số di chuyển cho cả cây thường được tính từ phần ăn được của thực vật.

IV. Ứng dụng và đánh giá rủi ro phóng xạ

Đánh giá hệ số di chuyển là bước quan trọng trong đánh giá rủi ro phơi nhiễm phóng xạ cho con người thông qua chuỗi thực phẩm. Việc xác định chính xác hệ số di chuyển các đồng vị phóng xạ tự nhiên tại các vùng có phông phóng xạ cao giúp xây dựng mô hình dự báo tích lũy phóng xạ trong cây trồng. Từ đó, có thể đưa ra khuyến cáo về an toàn thực phẩm và các biện pháp giảm thiểu rủi ro. Suất liều hấp thụ từ các thực phẩm contaminated được tính toán để đánh giá liệu mức độ phơi nhiễm có vượt quá giới hạn an toàn hay không. Việc giám sát định kỳ các vùng nông nghiệp trong khu vực phông phóng xạ cao là cần thiết.

4.1. Đánh giá liều phơi nhiễm từ thực phẩm

Suất liều hấp thụ được tính bằng công thức: Dose = Activity × Consumption rate × Dose coefficient. Các đồng vị phóng xạ khác nhau có hệ số liều khác nhau. Việc đánh giá liều hiệu dụng hằng năm từ phóng xạ tự nhiên thông qua thực phẩm rất quan trọng để xác định mức nguy hiểm. Ở các vùng có phông phóng xạ cao, mức liều có thể vượt quá giới hạn khuyến cáo của WHO và IAEA.

4.2. Biện pháp giảm thiểu rủi ro phóng xạ

Biện pháp giảm thiểu bao gồm lựa chọn cây trồng có hệ số di chuyển thấp, cải thiện đất để giảm độ khả dụng của phóng xạ, và xử lý đất bằng các chất hóa học. Việc rửa sạch thực phẩm trước khi tiêu thụ cũng giúp giảm hàm lượng phóng xạ bề mặt. Giám sát hoạt độ phóng xạ trong chuỗi thực phẩm là biện pháp dự phòng hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tính chất phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong đất và trong thực vật. Phóng xạ tự nhiên từ các nguồn ngoài trái đất hay từ các nguyên tố phóng xạ có trong vỏ trái đất, gồm ba loại chính như sau [31]: + Các hạt nhân phóng xạ sinh ra cùng với thời điểm hình thành Trái đất có chu kỳ bán rã đủ dài còn tồn tại đến ngày nay (hạt nhân phóng xạ nguyên thủy); + Hạt nhân phóng xạ thứ cấp có nguồn gốc từ phân rã phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy; + Các hạt nhân phóng xạ được tạo ra liên tục bằng cách bắn phá các hạt nhân bền (chủ yếu xảy ra trong khí quyển) bởi các tia vũ trụ. Ở hầu hết các nơi trên trái đất, hoạt độ phóng xạ tự nhiên không có sự chênh lệch quá nhiều.

Chỉ một số ít địa phương có hoạt độ phóng xạ trong đất cao bất thường. Các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có thể được chia thành các hạt nhân phóng xạ đơn lẻ và các hạt nhân phóng xạ thuộc ba chuỗi phóng xạ Urani, Thori và Actini [5]. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên đơn lẻ. Các nhân phóng xạ tự nhiên đơn lẻ bao gồm các nhân phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trong bầu khí quyển và các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán hủy đủ dài không thuộc ba họ phóng xạ Urani, Thori và Actini.

Trong Bảng 1 liệt kê một số nhân phóng xạ đơn lẻ chính và giá trị hoạt độ của chúng trong không khí tầng ở tầng đối lưu, nước mưa và nước biển của các đồng vị sinh ra từ bức xạ vũ trụ. Các nhân phóng xạ này sau khi được tạo thành chúng rơi lắng xuống bề mặt trái đất và vì vậy chúng có mặt trong môi trường. Trong số các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ, chỉ có 4 đồng vị 14C, 3H, 22 Na và 7Be có đóng góp nhất định đến liều chiếu xạ vào con người [31]. Một số đồng vị phóng xạ có trong bầu khí quyển [48].

Đồng Bức xạ Đồng vị Hoạt độ phóng xạ riêng đặc trưng vị Thời gian bán chính bền (Bq/kg) phóng rã Không khí Nước xạ (tầng đối Nước mưa biển lưu) 10Be 1.10-3 7 Be 53,3 ngày γ N, O 0,01 0,66 37Ar 35 ngày β- Ar 3,5.10-5 24Na 15 giờ β Ar 3-5,9.10-3 31Si 2,62 giờ β Ar 18P 109,8 tháng β+ Ar 38Cl 37,29 tháng β Ar 1,5-25.10-1 34mCl 31,99 tháng β+ Ar Ngoài các nhân phóng xạ có nguồn gốc do tương tác của tia vũ trụ với khí quyển còn có các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán rã đủ dài nhưng không thuộc ba họ phóng xạ Urani, Thori và Actini. Bảng 2 đưa ra giá trị hoạt độ phóng xạ riêng cũng như bức xạ chính của các đồng vị phóng xạ đơn lẻ có chu kỳ bán hủy dài. Chỉ có 2 trên tổng số các đồng vị đồng vị phóng xạ đơn lẻ có chu kỳ bán hủy dài được 5 quan tâm nhiều nhất đó là 40K và 87Rb [31]. Các đồng vị phóng xạ khác hàm lượng của chúng trong vỏ trái đất rất nhỏ, tính phóng xạ rất thấp (chu kỳ bán rã lớn).

Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy [31]. Hoạt độ phóng xạ riêng Đồng vị phóng Thời gian bán rã Bức xạ chính trong vỏ Trái đất điển xạ (năm) hình (Bq/kg) 40K 1,26.1-9 Trong ba đồng vị 39K, 40K và 41K có trong tự nhiên, chỉ có 40K là đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã 1,26. Về khối lượng 40K chiếm khoảng 0,0117% khối lượng của kali tự nhiên, với hoạt độ phóng xạ riêng khoảng 30 kBq/kg. Trong các loại đá khác nhau, đồng vị 40K chiếm từ 0,3 đến 4,5% tổng lượng K.

Nhìn chung, các loại đất bazan, cát có hàm lượng kali thấp, trong khi đó các loại đá granit, salic lại có 6 hàm lượng kali cao với hàm lượng lớn hơn 1000 Bq/kg. Hoạt độ phóng xạ riêng của 40 K trong đất từ 37 đến 1100 Bq/kg và có giá trị trung bình 400 Bq/kg [31]. Trong hai đồng vị rubidi được tìm thấy trong tự nhiên, 85Rb và 87Rb thì chỉ có đồng vị 87Rb là có tính phóng xạ, với chu kỳ bán rã 4,8. Đồng vị 87Rb chiếm 27,8% tổng lượng rubidi trong tự nhiên, với hoạt độ phóng xạ riêng là 0,74 kBq/g [45].

Theo Hội đồng quốc gia về bảo vệ và đo lường bức xạ Hoa Kỳ (NCRP - National Council on Radiation Protection and Measurements) ước tính đóng góp liều trung bình toàn thân từ đồng vị 87Rb là 3 µSv/năm [31]. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Ngoài các hạt nhân phóng xạ đơn lẻ nói trên, trong tự nhiên còn có các hạt nhân phóng xạ thuộc ba chuỗi phóng xạ Urani, Thori và Actini. Chuỗi urani bắt nguồn từ 238U và kết thúc bằng đồng vị bền 206Pb, chuỗi thori bắt đầu với đồng vị 232Th và kết thúc với đồng vị bền 208Pb, và chuỗi actini bắt nguồn từ 235U, kết thúc bằng đồng vị bền 207Pb.

Urani khá phổ biến trong tự nhiên, về mặt độ giàu đồng vị nó đứng thứ 38 trong số các nguyên tố có mặt trên trái đất, chủ yếu có mặt trong các đá gốc. Trong tự nhiên urani gồm ba đồng vị đó là 234U, 235U và 238U. Trong lớp vỏ trái đất, 238U chiếm 99,28% tổng lượng urani tự nhiên và thường ở trạng thái cân bằng phóng xạ hoặc gần cân bằng với 234U. Đồng vị 234U chiếm một lượng rất nhỏ khoảng 0,0058% so với tổng lượng urani tự nhiên.

235U, đồng vị gốc của chuỗi actini chiếm 0,71% so với tổng lượng urani tự nhiên [31]. Trong Bảng 3 đã liệt kê hoạt độ phóng xạ riêng 238U trong các loại đất đá phổ biến, cho thấy trong tất cả các loại đá hoạt độ phóng xạ riêng 238U khoảng từ 7 đến 60 Bq/kg. Hoạt độ phóng xạ riêng trung bình của 238U trong các loại đất nhỏ hơn hoạt độ trung bình trong các loại đá và có giá trị khoảng 22 Bq/kg. Hàm lượng trung bình của 40K, 232Th, 238U trong loại đất và đá điển hình [31].

40 232 238 K Th U Vật liệu % Bq/kg Ppm Bq/kg Ppm Bq/kg tổng K Đá bazan 0,8 300 3-4 10-15 0,5-1 7-10 Mafic 0,3-1,1 70-400 1,6; 2,7 7; 10 0,5; 0,9 7;10 Salic 4,5 1100-1500 16; 20 60; 80 3,9;4,7 50; 60 Đá granite >4 >1000 17 70 3 40 Đá sa thạch 2,7 800 12 50 3,7 40 Thạch anh sạch <1 <300 <2 <8 <1 <10 Thạch anh tạp chất 2 400 3-6 10-25 2-3 40 Khoáng chất Acco 2-3 600-900 2 <8 <1 <10 Cát biển <1 <300 6 25 3 40 Đá carbonat 0,3 70 2 8 2 25 Lớp vỏ lục địa 2,8 850 10,7 44 2,8 36 Đất 1,5 400 9 37 1,8 22 Nồng độ của 232Th trong các lớp đất đá cũng được liệt kê trong Bảng 3. Nồng độ 232Th dao động từ 1,6 đến 20 ppm trong các loại đá, với mức trung bình là 10,7 ppm. Nồng độ trung bình trong lớp vỏ trái đất của 232Th, gấp khoảng 4 lần so với 238 U. Tuy nhiên, hoạt độ phóng xạ riêng của 232Th là 0,11 pCi/g so với 0,33 pCi/g cho 238 U, do đó tính phóng xạ của hai đồng vị này xấp xỉ bằng nhau [31].

Các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Hạt nhân phóng xạ nhân tạo được phát tán vào khí quyển và nước biển có thể di chuyển khắp toàn cầu và phát tán vào môi trường trên cạn với một tốc độ khá nhanh. Một khi hệ sinh thái trên cạn bị ô nhiễm, ngoài thời gian lưu lại, các tác động đến môi trường của các hạt nhân phóng xạ trong các thành phần sinh thái tùy thuộc vào chu kì bán rã của hạt nhân phóng xạ đó, đây chính là một đặc tính hóa học của chính nó. Các con đường di chuyển phóng xạ nhân tạo trong môi trường [25].

Đặc tính và phân bố các đồng vị phóng xạ trong đất 1. Đặc tính riêng của hạt nhân phóng xạ với ô nhiễm môi trường Một trong những đặc điểm chính của hạt nhân phóng xạ để đánh giá ảnh hưởng của chúng đối với môi trường đó là chu kỳ bán rã của nó. Chu kỳ bán rã càng dài, thì thời gian lưu lại trong các hệ sinh thái càng lâu và càng tác động lên hệ sinh thái mà nó xâm nhập. Có một số đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã ngắn nhưng lại có tác động lớn đối với môi trường.

Như đồng vị 222Rn, là một chất khí phát bức xạ alpha có chu kỳ bán rã là 3,82 ngày nhưng gây ra tác hại đáng kể trong không gian hạn hẹp như các mỏ khai thác, hang động và các tòa nhà, do sự phát tán liên tục của nó vào khí quyển từ sự phân rã của 226Ra trong đá, đất và vật liệu xây dựng. Tương tự 222 Rn, với chu kỳ bán rã ngắn 218Po (3,1 phút) và 214Po (164 micro giây) phát bức xạ alpha cũng có tính nguy hiểm cao. Ngoài ra còn có 131I cũng gây ảnh hưởng lớn tới con người thông qua con đường ăn uống. Phân tích dịch tễ học của con người sau 20 năm vụ tai nạn Chernobyl đã chỉ ra rằng loại ung thư duy nhất có liên quan trực tiếp đến việc phát tán các hạt nhân phóng xạ là ung thư tuyến giáp do tiếp xúc với 131I [19].

Mặc dù loại hạt nhân phóng xạ này không còn tìm thấy trong môi trường khoảng 9 3 tháng sau tai nạn. Các hạt nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã dài đặt ra các mối nguy hiểm cho môi trường trong các khoảng thời gian khác nhau. Đồng vị 137Cs và 90Sr với chu kỳ bán rã tương ứng 30 năm và 28 năm đã lắng đọng trên mặt đất khắp thế giới sau các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân trong khí quyển. Đồng thời với việc kiểm soát thời gian lưu lại trong các hệ sinh thái, chu kỳ bán rã cũng khá quan trọng trong việc xác định một số đại lượng vật lý liên quan của một hạt nhân phóng xạ đang tồn tại.

Đối với bất kỳ hạt nhân phóng xạ nào, hoạt độ phóng xạ trên một đơn vị khối lượng hay còn gọi là hoạt độ phóng xạ riêng có thể được tính toán bằng công thức sau: A A0 = (1. m Trong đó: A0 là hoạt độ phóng xạ riêng [Bq/g]; A là hoạt độ phóng xạ [Bq]; m là khối lượng của mẫu [g]; Từ công thức 1.1 thấy rằng, hoạt độ phóng xạ riêng của bất kỳ hạt nhân phóng xạ nào đều tỷ lệ nghịch với chu kỳ bán rã của nó.